[发明专利]一种实现纳米尺寸大气细颗粒物的监测方法

说明书

技术领域

本发明涉及微纳光学领域，特别涉及一种实现纳米尺寸大气细颗粒物的监测方法。

背景技术

PM2.5是指针对尺寸为2.5微米以下细颗粒浓度的监测。然而由于观测手段的限制，目前对更小尺寸：特别是针对纳米级颗粒的监测方法和其毒性的研究鲜有报道。一方面，比微米级颗粒更小的纳米尺寸的颗粒具有更高的生物毒性：除了可以透过细胞壁和细胞膜，还可以进入细胞核等更微观细胞器并发生一系列化学反应，影响DNA的合成，具有更强的生物毒性，因此需要针对这一尺寸的颗粒进行更加深入细致的研究。另一方面，目前的大气颗粒检测手段过于笼统，难以做到纳米级颗粒与微米级颗粒的分离研究，缺乏一种方便快捷的针对颗粒浓度和微观物理化学特性的检测方法。由于纳米级颗粒尺寸更小，这增加了监测的准确性和探测精度。

β射线吸收法是欧盟认证的测量PM2.5的方法。β射线穿过颗粒物后被衰减，根据β射线的衰减量就可算出PM2.5的重量，根据相同时段内采集样品的体积，得出PM2.5的浓度。这种方法的优点是可实时、自动监测，有利于远程观测和自动控制；然而缺点是结果准确性存在争议，受成分、浓度、环境湿度等因素的影响，生产成本高，并且检测过程中伴有β射线辐射。

散射光谱法是通过测量材料对入射光的散射光谱判断材料成分和浓度一种方法，目前广为应用的散射光谱法为激光散射和白光散射，并未应用于对大气细颗粒物浓度的监测。荧光光谱和拉曼光谱是最普遍应用的激光光谱，可通过材料对激光的散射信号强度进行定量分析。另外，高强度激光能够使吸收物种中相当数量的分子提升到激发量子态，因此极大地提高了散射光谱的灵敏度，例如用氮分子激光泵浦的可调染料激光器对荧光素钠的单脉冲检测限已达到10^-10摩尔/升。1964年，美国的Winefordner等首次成功地用原子荧光光谱测定了Zn、Cd、Hg。然而，以(强)激光为光源的散射光谱的检测提高了检测成本和操作难度，因此在大气细颗粒物检测领域没有得到广泛的应用。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种实现纳米尺寸大气细颗粒物的监测方法，能够采用暗场散射光谱技术实现对纳米尺寸细颗粒物浓度、尺寸和成分的监测。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种实现纳米尺寸大气细颗粒物的监测方法，包括：该方法的步骤如下：

步骤1、利用暗场散射成像原理获得大气细颗粒物样品的高信噪比的具有纳米精度的暗场图像和暗场散射光谱；

步骤2、利用光点提取算法，自动读取暗场图像中颗粒个数，获得测量区域颗粒浓度；

步骤3、选取暗场图像中的某一亮点即细颗粒，通过对该颗粒的暗场光谱的测量获得其散射光谱数据；

步骤4、通过对选定目标的暗场散射光谱的分析，获得该颗粒的尺寸和成分信息。

进一步的，利用暗场散射成像原理获得大气细颗粒物样品的高信噪比的具有纳米精度的暗场图像和暗场散射光谱。

进一步的，利用光点提取算法，自动读取暗场图像中颗粒个数，获得测量区域颗粒浓度。

进一步的，利用暗场散射光谱红移和细颗粒物尺寸的线性依赖关系，又光谱信息推断细颗粒物的尺寸信息。

进一步的，利用暗场散射光谱推断细颗粒物的成分信息。

进一步的，还包括：通过改变下面中的一种或多种组合，以实现对大气纳米尺寸细颗粒物的监测

(1)入射光的波长；

(2)入射光束的聚光方式；

(3)探测的散射光谱的机制；

(4)暗场照明的方式；

(5)暗场散射成像系统散射光收集的方式。

进一步的，还包括：探测大气细颗粒物的尺寸为100纳米至2.5微米。

本发明提供的一种实现纳米尺寸大气细颗粒物的监测方法的原理进一步说明如下：

利用暗场成像技术获得(通过配有PM2.5切割头的采样器采集)颗粒物样品的高信噪比的具有纳米精度的暗场图像；利用光点提取算法，自动读取暗场图像中颗粒个数，获得测量区域颗粒浓度；选取暗场图像中的某一亮点(细颗粒)，通过对该颗粒的暗场光谱的测量获得其散射光谱数据；通过对固定目标的散射光谱的分析，获得该颗粒的尺寸和成分信息，实现对纳米尺寸大气颗粒的物理化学特性的监测。

优选的上述方法有以下特点：